1.10. Структурные формулы

В веществах атомы связаны друг с другом в определённой последовательности, а между парами атомов (между химическими связями) имеются определённые углы. Всё это необходимо для характеристики веществ, так как от этого зависят их физические и химические свойства. Сведения о геометрии связей в веществах частично (иногда полностью) отражаются в структурных формулах.

В структурных формулах связь между атомами изображается чертой. Например:

- химическая формула воды H₂O, а структурная HOH,

- химическая формула пероксида натрия Na₂O₂, а структурная NaOO–Na,

- химическая формула азотистой кислоты HNO₂, а структурная HONO.

При изображении структурных формул чёрточками обычно показывают стехиометрическую валентность элементов. Структурные формулы, построенные по стехиометрическим валентностям, иногда называются графическими. Такие структурные формулы несут информацию о составе и порядке расположения атомов, но не содержат правильных сведений о химических связях между атомами.

Например, химическая формула азотной кислоты HNO₃, а структурная, построенная по стехиометрическим валентностям, изображается так:

O

HON

O

Из этой формулы видно, что стехиометрическая валентность азота в азотной кислоте равна 5. и это правильно. Но, как показывают исследования, электронная валентность азота в азотной кислоте рана 4, так как между атомами азота и кислорода образуется не четыре, а три связи, причём, одна их них распределяется поровну между двумя атомами кислорода (такие связи называются делокализованными). Поэтому структурная формула азотной кислоты, отражающая электронную валентность элементов, такова:

Большинство оксидов, оснований и солей существуют в виде твердых соединений с ионными или частично ионными связями. Для таких соединений структурные формулы не соответствуют реальному строению веществ, а носят формальный, условный характер, показывая, как могли бы соединяться атомы, если бы вещество состояло из молекул, соответствующих формуле.

Истинную структурную формулу можно изобразить лишь на основании исследования реальной структуры вещества – экспериментально или теоретически. Эти вопросы рассматриваютя в данном пособии и в других учебных пособиях при изучениихимической связи.

При изображении структурных (графических) формул нужно выполнять следующие простые правила.

1. Число чёрточек, исходящих от каждого атома, равно его валентности.

2. В кислородсодержащих кислотах и солях со сложным кислородсодержащим катионом атомы водорода и металла соединяются с кислотообразующим элементом через атомы кислорода.

3. Атомы элементов, у которых стехиометрическая валентность в соединении совпадает с электронной валентностью, не соединяются между собой, т.е. не образуют гомоцепей.

Пример 19.Изобразить структурные формулыa) CrO₃; б)Al₂S₃, в) K₂SO₄.

Решение.Определяем стехиометрические валентности атомов: V(K) = 1; V(S) = 6; V(O) = 2. Изображаем структурную формулу, пользуясь правилами 13:

При изображении структурных формул солей можно исходить из соответствующих формул кислот, заменяя в них атомы водорода на атомы металла с соблюдением правила валентности, т.е. один атом водорода заменяется одновалентным металлом, два  двухвалентным, три  трехвалентным и т.д. Например, карбонат кальция (CaCO₃) – это средняя соль угольной кислоты H₂CO₃, поэтому структурную формулу этой соли можно представить так:

НО О

С=О Са С=О.

НО О

Пример 20. Изобразите графические формулы кислой соли гидросульфата натрия и основной соли карбоната гидроксожелеза (III).

Решение. При составлении графических формул солей нужно отчетливо представлять себе графические формулы кислотных и основных остатков. Кислую соль (NaHSO₄) можно представить как продукт замещения одного атома водорода в серной кислоте на атом натрия:

HО O HO O

S S

HО O NaO O .

Основную соль (FeOHCO₃) можно представить как продукт частичного замещения гидроксогрупп в основанииFe(OH)₃на кислотный остаток угольной кислоты:

О  H HO

Fe O  H ; C = O ;

O  H HO

О

H– O – Fe C = O ;

O

В приведенных примерах углы между связями взяты произвольно. Однако они также могут быть точно указаны и изображены.

Эти правила не распространяются на соединения, в которых электронная и стехиометрическая валентность какого-либо элемента различны, например в пероксо- и персульфо-соединениях:

K  S K  O

K₂S₂:  K₂O₂: 

K  S K  O

К такимже соединениям относятся и некоторые кислоты, в которых часть атомов водорода соединяется не с атомами кислорода, а с атомом кислотообразующего элемента непосредственно. Рассмотрим три кислоты., образуемые фофсфором: 1) форфорную, 1) фосфористую и 3) фосфорноватистую.

1. Химическая формула , структурная

2. Химическая формула , структурная

3. Химическая формула , структурная